宇宙印记与万物归道 第三十五章 真相3

以下内容为科普内容,如读者对此不感兴趣,可略过本节。

（注：“大爆炸宇宙论”认为，在137亿年前，宇宙诞生之前，存在着一个体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，这个点被称为“奇点”。一切已知物理定律均在奇点处失效。宇宙就是由这个奇点发生的一次大爆炸后膨胀形成的，而且宇宙目前仍在膨胀之中。目前星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度等观测数据都支撑了大爆炸理论，是证实该理论的重要证据。

“暴胀理论”是大爆炸理论的“补丁”。“暴胀理论”认为，在宇宙诞生之初，宇宙的空间曾以指数倍的形式膨胀。这种快速膨胀过程叫做“暴胀”，即宇宙在一段极短的时间内，以非常惊人的增长速率膨胀。按照该理论推测，暴涨过程发生在宇宙大爆炸之后的10^-36秒至10^-32秒之间。在暴涨结束后，宇宙继续膨胀，但是膨胀速度则小得多。

由于空间暴胀，使得宇宙变得十分平坦，空间曲率接近于零，并且使整个宇宙的温度变得均匀。暴胀期间发生的量子涨落造成了宇宙温度的细微差异，这为未来的宇宙形成恒星和星系创造了条件。此外，暴胀还能够降低大质量奇异粒子的数量密度，例如粒子物理学标准模型的不少衍生理论所预测存在的磁单极子。因此，“暴胀理论”能够解释“大爆炸宇宙论”中的三个难疑：空间各向同性难疑，可观测宇宙空间平坦难疑，磁单极子消失难疑。

“大爆炸宇宙论”和“暴胀理论”共同描绘了宇宙的诞生和形成过程。按照这两个理论，宇宙的诞生和形成过程经历了数个阶段，它们分别是：

（1）普朗克时间（大爆炸发生后的10^-43秒）：宇宙诞生后最早的时期，是一个温度非常高的时期，它的温度高到足以让四种基本力（引力、电磁力、弱力和强力）都统合成一种基本力——超力。所有已知的物理和数学规律都是失效的。宇宙中不存在任何物质和辐射。

（2）大一统时期（大爆炸后10^-43秒至10^-36秒）：随着宇宙的冷却（尽管此时宇宙温度依然非常高），引力开始与其它几种力（电磁力、弱力、强力）分离。在这个时期，物质和能量可以自由地相互转换。

（3）暴胀时期（大爆炸后10^-36秒至10^-32秒）：?宇宙尺寸膨胀了10的26次方倍，相当于一粒沙子膨胀到可观测宇宙那么大。随着宇宙进一步冷却，强力开始与其它几种力（电磁力、弱力）分离。宇宙经历了短暂的暴胀之后，空间本身固有的能量都逐渐转化成各种正反粒子和辐射。

（4）夸克时期（大爆炸后10^-32秒至10^-12秒）：宇宙变成一锅粒子汤，大量夸克-反夸克粒子从能量中出现，又重新湮灭为能量，胶子、引力子、希格斯玻色子等粒子也在这个时期出现。

（5）粒子时期（大爆炸后10-12秒至1秒）：宇宙变得足够冷，电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用，即电磁力和弱力相互分离。四种基本作用力全部出现。宇宙中的作用力和物理定律，就和今天的一样了。夸克（反夸克）在强相互作用力下聚在一起，使质子和中子（反质子和反中子）诞生。玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。

随后，正粒子（质子、中子等）和反粒子（反质子、反中子等）相互碰撞后湮灭。由于与反物质相比，正物质略占优势，所以反物质（反粒子）几乎被湮灭殆尽，而小部分正物质（正粒子）残存了下来，并为今天构成我们宇宙的大部分物质提供了起源。

（6）核子时期（大爆炸后1秒至三分钟）：宇宙温度继续降低后，核力（强力）已经能够束缚住质子和中子，氢、氦类稳定原子核形成（核合成）。但电子的能量仍然太高，无法与原子核结合，因此尚不能形成中性原子。

（7）原子时期（大爆炸30万年后）：随着宇宙温度再进一步下降，质子和原子核开始捕获电子，形成最初的中性原子。电子被束缚在原子核中，无法再散射光子。物质和辐射从此“解耦”。光子开始以辐射形式在宇宙中传播，宇宙从此变得透明。由辐射主导的宇宙，转变成了由物质主导的宇宙。

（8）恒星时期（大爆炸后2亿年至30亿年）：大量氢原子在引力的作用下，聚集在一起。氢原子越多，质量越大，引力越大，引力越大又反过来吸引更多的氢原子。最后在某一时刻，氢元素在引力带来的巨大压力下发生核聚变，从而诞生了恒星，宇宙就此被点亮了。恒星诞生后，周围的物质慢慢聚集形成行星或卫星，共同组成了恒星系统，之后，众多的恒星系统又汇聚成了星系。

（9）暗能量时期（大约距今50亿年前）：随着宇宙空间的持续膨胀，暗物质和物质密度不断下降，暗能量开始取代暗物质和物质占据宇宙的主导地位。宇宙空间的膨胀停止减速，并转而开始加速。暗物质和暗能量都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。暗物质产生万有引力，暗能量则相反，产生排斥的力量。宇宙的空间越大，暗能量就越明显，产生的排斥力也就越大。这种排斥的力量推动着宇宙持续膨胀。

关于黑洞的一些知识：黑洞是现代广义相对论中，存在于宇宙空间中的一种天体。黑洞的引力极其强大，它的时空曲率大到连光都无法从其事件视界逃脱。依据爱因斯坦的广义相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将向中心塌缩，最终将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质（包括行星、卫星等各种天体）。

通常恒星最初只含氢元素，恒星内部的氢原子核时刻相互碰撞，发生聚变。虽然恒星质量很大，但聚变产生的能量能够与恒星万有引力抗衡，维持着恒星结构的稳定。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料，由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度，质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出——“黑洞”就诞生。

霍金黑洞辐射理论认为，尽管黑洞如同一只怪物一般，会不断吞噬其周围的物质，使得其自身的质量不断增大，而不断增大的质量导致的边界（视界）扩张，又会使它吞噬更多的物质，但黑洞的扩张与吞噬并不是无限的。事实上，黑洞会因为霍金辐射而失去质量，最终完全蒸发消亡。

所谓“霍金辐射”，是以量子效应理论推测出来的一种由黑洞散发出来的热辐射。根据量子力学海森堡不确定性理论，绝对的真空是不存在的，真空场的能量不可能始终为0。所以，我们以为的真空，实际上在不断随机产生着虚粒子对，两个虚粒子对撞后很快又消失湮灭，这样既不会违反量子力学，也不会违反能量守恒，这个现象被称为“量子涨落”。

当把真空量子涨落应用到极度弯曲的时空，比如黑洞视界附近，神奇的事情就发生了，随机产生的虚粒子对有可能在湮灭前被黑洞强大的潮汐力分开到足够远，当它们分开的距离达到虚粒子的波长，虚粒子就会转变为实粒子。然而当两个虚粒子同时转变成实粒子时，基于能量守恒，它们当中的一个将拥有正能量，另一个将拥有负能量，以保证总能量始终为0。而视界外的正常时空是不允许存在负能的实粒子的，因此，在黑洞视界外产生的必然是正能的实粒子，被黑洞吞噬到视界内的实粒子必然是负能的。黑洞吞噬了负能粒子后，质量随之减小，视界外的正能实粒子则以辐射的形式逃离黑洞，这种辐射就是“霍金辐射”。在这样的机制作用下，黑洞会不断“蒸发”，质量越来越小，温度将变得越来越高，辐射强度越来越大，最终将在一次剧烈的辐射爆发中灰飞烟灭。这便是黑洞的结局。

无边界条件理论，是物理学家霍金提出，一种既自洽又自足的无边界宇宙学。这个理论认为，宇宙的边界条件就是它没有边界，宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来，而宇宙本身是从无中生有而来的（量子意义上）或者没有起源（经典意义上）。无边界条件如果成立，则说明宇宙是自给自足的，这意味着宇宙不需要创世上帝或者不存在第一推动。

霍金使用欧几里德的量子引力学描述宇宙的起源。在这个模型中，我们所熟悉并能感知到的真实时间（实时间），被一种如空间第四向的虚时间所取代，根据欧几里德方法论可得，虚时宇宙史是如同地球表面一般的四维球面（但它比地球表面多了两维）。即欧几里德时空与地球表面一样，是一个无尽闭合曲面。而宇宙的奇点，在这个模型中，就相当于地球的南极。因此，正犹如“地球的南极之南，是什么也没有”的道理一样，宇宙的奇点之前，也是什么也没有。

共形循环宇宙学，是物理学家彭罗斯提出的。该理论认为，宇宙并非只有一次大爆炸，而是在一个个从大爆炸到死亡的“永世”（aeon）中反复循环。所谓“永世”（aeon），就是宇宙从大爆炸创生到下一次大爆炸之间的“生命周期”。大爆炸创生之后，宇宙不会永远膨胀下去，当宇宙中所有黑洞都通过“霍金辐射”蒸发殆尽，届时，宇宙中的全部质量均衰变为了辐射（即所有的物质都转变为了能量），宇宙的状态看起来就会和大爆炸之时的状态几乎一模一样。而经过一种叫做“共形变换”的数学变换，可以把无穷大的宇宙未来和无穷小的大爆炸奇点连接起来。这样宇宙就从一个“永世”到下一个“永世”，不断循环下去。

彭罗斯相信，宇宙自始至终都在遵循热力学第二定律——熵增定律。宇宙在奇点大爆炸之前，是熵值最低的时候。当大爆炸发生后，熵值就开始不断增大。随着熵值的增大，宇宙变得越来越不稳定。当宇宙的熵值达到极大值，趋向无穷时，天体开始逐渐毁灭，黑洞不断壮大吞噬掉一切物质转化为能量。熵值伴随着这个过程慢慢减小。到了最后，黑洞蒸发殆尽，整个宇宙变成一个纯能量的空间，熵被彻底清零。接着，能量空间坍缩到奇点状态，新的大爆炸再次发生，新的宇宙开始膨胀演化。

量子创世理论（quantumcreation），是宇宙学家维连金提出的。该理论认为，宇宙可以依据量子机制自动诞生。在量子理论中，存在着一个确定的原理，即成对的粒子可以自发地、短暂地从虚无的空间中出现（“量子涨落”现象）。维连金根据这种真空量子涨落现象，提出了一种量子机制，可以从一个没有时间、没有空间、也没有物质的状态产生一个膨胀的宇宙。（该机制的原理是，利用量子规则，在虚空中制造出有动量的微型气泡空间，而动量会让其膨胀至宇宙规模。）所以，维连金认为奇点大爆炸之前是一片虚无，宇宙是从虚无中，由量子涨落产生出来的。）

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